Generalità
L'anemometro è lo strumento più importante fra quelli installati a bordo di un ULM a cabina chiusa anche perchè è lo strumento di cui è praticamente impossibile fare a meno. L'utilizzo dell'anemometro è molto intuitivo così come molto semplice è anche il suo principio di funzionamento ma è comunque opportuno sapere che dietro alle indicazioni di questo strumento ci sono alcune piccole complicazioni tecniche che è bene conoscere per sfruttare a pieno e nel modo più sicuro possibile le indicazioni che ci fornisce.
L'anemometro fornisce valori di Indicated Airspeed (velocità all'aria indicata) che sono influenzati da errori di misura i quali, a loro volta, possono essere influenzati dalle particolari condizioni di volo in cui si trova il velivolo (volo lento, crociera veloce, salita, discesa etc).
Gli errori che influenzano la lettura dell'anemometro sono essenzialmente riconducibili a due categorie:
1) Errori interni allo strumento
2) Errori generati dall'installazione sul velivolo
Tralasciamo gli errori che rientrano nella prima categoria per i quali nulla può essere fatto se non prenderne conoscenza, attraverso il certificato di calibrazione che deve sempre accompagnare lo strumento all'atto dell'acquisto. Questi errori sono, comunque, solitamente estremamente contenuti (all'incirca +/- 1kts). Concentriamoci, invece, sugli errori che rientrano nella seconda categoria che, al contrario dei primi, possono assumere anche valori molto rilevanti ma che, forunatamente, possono, in parte, anche essere corretti modificando opportunamente l'installazione.
Pressione Statica e Pressione Dinamica
Come viene insegnato durante il corso per il conseguimento dell'attestato VDS, l'anemometro genera le indicazioni di velocità all'aria misurando la pressione di impatto su una opportuna capsula aneroide. Questa pressione di impatto è la somma di due componenti:
1) La Pressione Statica, Ps che dipende dalla pressione atmosferica intorno al velivolo e, quindi, dalla altitudine di volo.
2) La Pressione Dinamica, Pd che dipende dalla densità dell'aria e dalla velocità di volo:
(1)Osservando la (1) si capisce facilmente che per ottenere dall'anemometro una indicazione proporzionale alla velocità di volo occorre essere in grado di misurare la sola pressione dinamica sottraendo, quindi, alla pressione di impatto totale, misurata dalle presa d'aria dinamica, la pressione statica, misurata dalla presa d'aria statica.
E' per questo motivo, infatti, che ogni anemometro ha due ingressi per altrettanti tubi che devono essere collegati rispettivamente alla presa statica ed alla presa dinamica.
E' quindi abbastanza intuitivo capire che qualunque errore di misurazione della pressione totale di impatto o della pressione statica, causa un corrispondente errore nel calcolo della pressione dinamica e, di conseguenza, dell'indicazione di velocità dell'anemometro.
Gli errori dovuti all'installazione
Concentriamoci adesso sull'analisi dei fattori installativi che influenzano la lettura della velocità indicata dall'anemometro. Tralasciamo errori dovuti ad avarie come, ad esempio, l'otturazione della presa d'aria dinamica o statica o la presenza di sporcizia o umidità nei tubi dell'impianto pneumatico ed analizziamo, invece, gli errori di misura che possono essere causati da una installazione non perfetta o da una condizione di volo particolare.
Gli errori di installazione che influenzano la misura della velocità indicata dall'anemometro sono, ovviamente, di due tipi:
1) Errori di lettura della pressione totale di impatto
2) Errori di lettura della pressione statica
Gli errori di misura della pressione totale di impatto causati da fattori installativi sono, solitamente, molto rari in quanto è abbastanza difficile che l'installazione della presa d'aria dinamica venga sbagliata. E' sufficiente, infatti, collocare la presa d'aria dinamica sul bordo di attacco di una delle semiali o sull'intradosso ad una distanza dalla fusoliera sufficiente a garantire la non influenza del flusso dell'elica, per evitare problemi.
Gli errori dovuti a particolari condizioni di volo sono, invece, più difficili, se non impossibili da evitare. La presa d'aria dinamica, infatti, ha un orientamento fisso rispetto al vento relativo quindi, a parità di condizioni, la pressione di impatto misurata dallo strumento, sarà dipendente dall'angolo formato dalla presa dinamica e dal vento relativo. QUesto angolo dipenderà sia dall'angolo di attacco sia dalla presenza di eventuale sideslip.
Molto più insidiosi e difficili da prevenire completamente in fase di installazione sono, invece, gli errori di lettura della pressione statica a causa dell'andamento fortemente variabile di detta pressione nell'intorno delle superfici dell'aereo. L'installazione di una presa statica all'interno della cabina di pilotaggio, ad esempio, può portare ad errori di lettura anche molto significativi se la cabina non è perfettamente sigillata o se la cabina prevede l'apertura parziale o totale di bocchette di ventilazione. Infiltrazioni di aria in cabina possono infatti causare un aumento o una diminuizione della pressione che varia al variare della velocità e della quantità di spifferi o dell'apertura delle bocchette.
D'altra anche un'istallazione esterna alla cabina ma in una zona subito a valle di un eventuale ostacolo (ad esempio una carenatura) che può provocare, ad alta velocità, il distacco della vena fluida, può essere influenzata da variazioni della pressione statica che dipendono ancora una volta dalla velocità di volo.
La Calibrazione Anemometrica
Dalla descrizione dei fenomeni fisici che influenzano gli strumenti ad aria, appare chiaro come qualunque installazione sia potenzialmente influenzata da errori di misura che variano in funzione della velocità di volo. E' pertanto indispensabile quantificare questi errori per mettere in grado il pilota di sapere qual è il fattore correttivo da applicare alle indicazioni fornite dai suoi strumenti per volare sempre in condizioni di sicurezza rispettando i parametri del proprio aeroplano.
Le operazioni di misura dell'errore vengono effettuate durante la procedura di Calibrazione dell'anemometro in cui, in pratica, le letture dello strumento a varie velocità di volo, vengono confrontate con uno strumento di riferimento che non è influenzato dagli stessi errori di installazione o che è stato, a sua volta, già calibrato precedentemente.
Esistono diversi metodi più o meno complessi per l'esecuzione delle prove di calibrazione e che forniscono stime dell'errore più o meno esatte. Per l'applicazione all'ambito VDS si ritiene praticabile, però, soltanto uno di questi metodi che, sia pure se non precisissimo, permette di ottenere buoni risultati con una procedura di test relativamente semplice. Il metodo in questione si basa sull'utilizzo del GPS ed è conosciuto come metodo NTPS (dall'acronimo della National Test Pilot School dove questo metodo è stato sperimentato per la prima volta).
Tecnica di Prova
Per l'esecuzione di questa prova occorre che l'aeroplano sia dotato di un GPS in grado di fornire Groundspeed a Track e di un termometro che misuri con una precisione di almeno 1°C la temperatura dell'aria esterna alla quota di volo.
L'equipaggio di prova dovrà essere cotituito da due persone: un pilota ed un secondo membro addetto alla lettura degli strumenti ed alla raccolta dei dati.
Le condizioni meteorologiche richieste per la prova sono, oltre alla visibilità >10km, che permetta, cioè, l'esecuzione del volo in sicurezza garantendo la separazione da altri traffici potenzialmente presenti, anche l'assenza di vento o la presenza di vento costante ma senza turbolenze. Per questo motivo, i voli di calibrazione vengono preferibilmente effettuati in inverno.
La tecnica di prova consiste nello stabilizzare un valore di velocità indicata IAS ad una quota pressione costante (da leggere quindi sull'altimetro di bordo regolato su 1013mb o 29.92inHG) su tre prue ortogonali. Per una accettabile accuratezza della misura, è fondamentale che il pilota sia in grado di stabilizzare la condizione di volo molto bene mantenendo i parametri di quota, velocità e prua costanti per almeno 30 secondi per dare tempo ai dati GPS di stabilizzarsi a loro volta.
Una volta che la condizione è stabilizzata, andranno registrati i seguenti dati:
Altitudine (su 1013mb), OAT, Groundspeed, Track, Prua, IAS
La stessa misura andrà ripetuta, mantenendo IAS e Altitudine costanti, su altre due prue sfasate di 90° dalla prua iniziale.
Assumendo di cominciare con prua sud (180°), per ciascun valore di velocità da calibrare, le letture andranno eseguite su prua 180°, 090°, 000°.
La calibrazione andrà poi effettuata nell'arco di utilizzo del velivolo andando almeno da 1,3Vs fino a VH, cioè dalla velocità di avvicinamento finale per l'atterraggio fino alla massima velocità mantenibile in volo livellato.
La figura seguente illustra in modo schematico il percorso di volo che dovrà essere eseguito dall'aereo e le relazioni fra i valori di TAS (True Airspeed), GS (Ground Speed GPS) ed intensità/direzione del vento.
Figura 1 - Traiettoria di volo e relazioni fra TAS, GS e Vento
Riduzione Dati
Una volta raccolti i dati in volo, per risalire alla curva di calibrazione del proprio strumento, occorre effettuare un po' di calcoli (è opportuno, a questo scopo, utilizzare un programma di foglio di calcolo, tipo Microsoft Excel).
La prima operazione da fare è trasformare i valori di velocità anemometrica stabilizzati durante la registrazione dei punti prova, in valori di TAS (True Airspeed). Per farlo occorre utilizzare le seguenti formule:
dove:
(3)dove $H_{\rm p}$ e $OAT$ sono rispettivamente l'altitudine di prova, letta sull'altimetro regolato su 1013mb e la temperatura dell'aria misurata all'altitudine di prova.
Il passo successivo consiste nel ricavare la velocità TAS calibrata a partire dalla GS misurata e dalla Track del GPS utilizzando un po' di trigonometria. Da questi calcoli si ricaverà anche il valore di vento che, pur non essendo indispensabile ai fini della calibrazione, rimane utile per capire se la misura è stata ragionevolmente precisa (il vento durante le tre tratte deve essere costante in direzione ed intensità).
Analizziamo nel dettaglio la prima tratta del volo prova (le altre due verranno analizzate in maniera analoga).
Figura 2 - Componenti di velocità al suolo e di velocità del vento nella prima tratta
Osservando la figura 2 ed applicando della semplice trigonometria si possono ricavare le componenti della velocità al suolo e della velocità del vento nel seguente modo:
(6)dove $GS_{\rm X}$, $GS_{\rm Y}$, $WS_{\rm X}$ e $WS_{\rm Y}$ sono le componenti di ground speed e di wind speed secondo la prua e perpendicolarmente alla prua, mentre $TAS$ e $\alpha$ sono la velocità vera all'aria che andrà confrontata con quella misurata dall'anemometro e l'angolo di rotta al suolo letto sul GPS.
Ripetendo gli stessi calcoli per le altre due leg si potrà ricavare facilmente il valore della velocità del vento (supposto costante durante tutta la prova) utilizzando la formula:
La TAS reale volata dall'aereo sarà, quindi ricavabile a partire dalla (8), come:
(11)I valori delle componenti di vento della seconda tratta potranno, infine essere utilizzati per un controllo di congruenza per essere sicuri che il vento sia rimasto effettivamente costante durante tutta la prova.
Il valore di TAS reale, così ricavato, potrà poi essere confrontato dal valore di TAS misurato dall'anemometro partendo dalla IAS stabilizzata e letta durante la prova ed applicando la (2).
Il confronto puntuale dei valori di TAS reale e di TAS letta fornirà la curva di calibrazione dell'anemometro che si cercava di ottenere.
